Art & Photos

00014979.pdf

Description
In the work, the possibility of using nano-spray drying (Nano Spray Dryer B-90) to obtain Al2O3 and ZrO2 powders was shown. It was found that spray drying allows the production of granules of alumina and zirconium from 0.5 to 5 μm in size, consisting
Categories
Published
of 6
All materials on our website are shared by users. If you have any questions about copyright issues, please report us to resolve them. We are always happy to assist you.
Related Documents
Share
Transcript
    Тематический раздел:  Технологические исследования. Полная исследовательская публикация    Подраздел: Нанохимия.  Регистрационный код публикации:  13-33-2-119 г. Казань. Республика Татарстан. Россия.    __________ ©    Бутлеровские сообщения.   2013 . Т.33. №2.    ________ 119 Публикация доступна для обсуждения в рамках функционирования постоянно действующей интернет-конференции “  Бутлеровские чтения ”. http://butlerov.com/readings/ Поступила в редакцию 15 февраля 2013 г.   УДК 546.05. Получение нанопорошков оксида алюминия и циркония из растворов их солей методом распылительной сушки   © Лямина 1 * +  Галина Владимировна ,  Илела   Алфа Эдисон 1 ,  Качаев 1  Артем Алексеевич ,  Амантай Далбанбай 1 , Колосов 2  Петр Владимирович и  Чепрасова 2  Марина Юрьевна   1  Кафедра наноматериалов и нанотехнологии. Институт физики высоких технологий. Томский политехнический университет. Пр. Ленина, 30. г. Томск, 634050. Россия. Тел.: (3822) 41-91-47. E-mail: lyamina@tpu.ru 2  Кафедра органической химии. Химический факультет. Алтайский государственный университет.  Пр. Ленина, 61. г. Барнаул, 656049. Россия. Тел.: (3852) 66-66-82. E-mail: csycdtnf@mail.ru  ___________________________________________ *Ведущий направление; + Поддерживающий переписку  Ключевые слова:  оксид алюминия, оксид циркония, нанопорошки, нанораспылительная сушка. Аннотация   В работе была показана возможность применения нанораспылительной сушки (  Nano Spray Dryer  B-90 ) для получения порошков Al 2 O 3  и ZrO 2 . Установлено, что распылительная сушка позволяет получать гранулы оксида алюминия и циркония размером от 0.5 до 5 мкм, состоящие из наночастиц  размером 100 нм и меньше. Введение Получение плотной мелкокристаллической керамики представляет собой сложную проблему, сдерживающую более широкое ее применение. Получить плотную керамику по обычной технологии довольно трудно из-за сравнительно высоких температур синтеза керамических порошков и узкого интервала спекаемости. Для решения этой проблемы используют высокодисперсные и ультрадисперсные порошки. В частности – оксиды алю-миния и циркония. Материалы на основе этих оксидов широко применяются в тех областях, где необходимы высокие показатели износостойкости, плотности, твердости, прочности при изгибе, стойкости к коррозии изделий. В последнее время для получения наноразмерной керамики получили распространение низкотемпературные (200-1200 °С) процессы синтеза исходных наноразмерных порошковых материалов. Применение низкотемпературных процессов для получения наноразмерных порошков обусловлено не только энергосбережением, а и главным образом стремлением обеспечить условие формирования из них изделий, материал которых имеет наноразмерную структуру, обеспечивающую более плотную упаковку керамики [1-8]. Химический метод синтеза нанокристаллических оксидных порошков представляет собой двухстадийный процесс, заключающийся в синтезе прекурсора с последующей его термообра-боткой до нанокристаллических оксидов [1, 3-5]. Данный метод позволяет в широких пределах варьировать морфологию (размер и форму), кристаллическую структуру и химический состав получаемых частиц (в случае многокомпонентных систем). Основные преимущества данного метода перед другими – низкая себестоимость про-дукции и возможность получения порошков заданного состава в промышленных масштабах. Однако, наряду с преимуществами этот метод имеет и существенный недостаток – порошки, получаемые таким способом, имеют высокую степень агрегации и агломерации продуктов осаждения и прокаливания осадков, а также широкий спектр размеров, как первичных частиц, так и агломератов. В нашей работе мы предлагаем для получения нанопорошков оксида алюминия и циркония использовать установку  Nano Spray Dryer B-90 . Нанораспылительная сушка была  разработана для получения частиц размером от десятков нанометров до десятков микро-  Полная исследовательская публикация  __________ Лямина   Г.В., Илела   Алфа Эдисон, Качаев   А.А., Амантай Далбанбай,   Колосов   П.В. и Чепрасова   М.Ю. 120  _____________ http://butlerov.com/ _____________ ©    Butlerov Communications.   2013 . Vol.33. No.2. P.119-124. метров из растворов или суспензий путем высушивания с выходом до 90%. Такая установка может обеспечить получения нанопорошков, используемых в качестве добавок для получения керамики. Целью работы было получить порошки оксида алюминия и оксида циркония из раство- ров их солей методом распылительной сушки и оценить влияние на их свойства (морфо-логию, фазовый состав) условий синтеза. Экспериментальная часть В работе использовали 0.5 М водные растворы сульфата алюминия и оксихлорида циркония, содержащего Y 5 % масс. Растворы готовили с использованием дистиллированной воды, квалификация солей металлов «хч». После приготовления растворы выдерживали при температуре 60 °С в течение суток. Выделение продукта из раствора проводили методом распылительной сушки и химическим осаждением. Химическое осаждение порошков проводили с использованием растворов 1 М гидроксида натрия (для сульфата алюминия) и 10% NH 4 OH (для оксихлорида циркония). Выделение продукта распылительной сушкой осуществляли с помощь аппарата  Nano Spray Dryer B-90  (  Швейцария ) (рис. 1). Нано-распылительная сушилка  B-90  была  разработана для получения частиц из растворов или суспензий путем высушивания или инкап-сулирования с выходом до 90%. Размер частиц на выходе зависит в основном от выбранного  распылительного колпачка. Осушающий газ проходит через нагре-ватель и поступает на вертикально закрепленную  распылительную головку. Капли образца высы-хают в потоке нагретого воздуха по мере дви-жения по распылительному цилиндру. Электрическое поле генерируется благо-даря высокому напряжению между электродом-коллектором и электродом высокого напряже-ния. В то время как высоковольтный электрод изменяет траекторию частиц (сдвигает в сторону стенок), электрод-коллектор притягивает их. Таким образом, частицы собираются на внут- ренней стороне электрода-коллектора частиц. По завершении работы установки частицы снимают со стенки колбы с помощью специальной лопатки [9]. В ходе эксперимента использовали сле-дующие параметры сушки: скорость газового потока 140 л/мин, относительная интенсивность  распыления 35-56% , Т = 60–80 °C, P = 120 Па, время работы установки 3-10 минут, размер сопла 5.5 мкм. Выделенные из растворов порошки сушили в течение суток при комнатной температуре, затем подвергали индивидуальной термообработке: оксид алюминия сушили 3 часа при температуре 550 °С и 2 часа при температуре 1200 °С; оксид циркония сушили по 1 часу при температурах 120, 220, 320 и 420 °С [1, 4-5]. Для установления фазового состава и определения размера частиц порошки исследовали методом рентгенофазового анализа на дифрактометре  XRD – 7000 X – RAY   ( SHIMADZU,  Япония). Для определения размера частиц использовали также метод статистического рассеяния света (метод лазерной дифракции) на приборе SALD 7101  ( SHIMADZU,  Япония) Для получения данных о морфологии порошков и их элементном составе использовали растровую электронную микроскопию (  JEOL JSM-7500FA ). Перед исследованием образцы покрывали слоем платины. Результаты и их обсуждение Разработку и оптимизацию методик синтеза оксида алюминия и циркония проводили, прежде всего, для их использования при получении керамик методом прессования. Для этих Рис. 1.  Схема работы установки  Nano Spray Dryer B-90     ПОЛУЧЕНИЕ НАНОПОРОШКОВ ОКСИДА АЛЮМИНИЯ И ЦИРКОНИЯ ИЗ РАСТВОРОВ… ________ 119-124 ©    Бутлеровские сообщения.   2013 . Т.33. №2. _______________  E-mail:  journal.bc@gmail.com _____________ 121 целей оксид алюминия используется в основном в виде корунда. Диоксид циркония сущест-вует в трёх кристаллических формах моноклинной, тетрагональной и кубической. Переход тетрагональной фазы диоксида циркония в моноклинную сопровождается увеличением объёма, что увеличивает прочность таких керамик. Таким образом, в получаемом продукте оценивали, прежде всего, содержание тетраго-нальной фазы. В табл. 1 представлен фазовый состав продукта и размер областей когерентного рас-сеяния (ОКР) частиц оксидов, выделенных из растворов различными способами. Видно, что использование способа выделения не оказывает существенного влияния на фазовый состав и размер ОКР частиц оксида алюминия. В оксидах циркония, полученных из раство- ров распылительной сушкой, содержится примерно на 30% больше тетрагональной фаз и это, безусловно, значительно улучшает качество порошка. Табл. 1.  Фазовый состав продуктов, полученных из растворов солей алюминия и циркония Метод выделения порошка Состав раствора Размер ОКР Фазовый состав Al 2 (SO 4 ) 3  –H 2 O 77 нм α – Al 2 O 3  Распылительная сушка ZrOCl 2  – H 2 O Mon * . – 13 нм; Tet * . – 15 нм Mon. – 24 %; Tet. – 76 % Al 2 (SO 4 ) 3  –H 2 O 81 нм α – Al 2 O 3  Химическое осаждение ZrOCl 2  –H 2 O Mon. – 12 нм; Tet. –17 нм Mon. – 53 %; Tet. – 47 % *   Mon. – моноклинная фаза оксида циркония; Tet. – тетрагональная фаза оксида циркония. а) б) Рис. 2.  Результаты определения размера частиц (по данным лазерной дифракции) Al 2 O 3 ,полученного методом распылительной сушки (1-4) и химического осаждения (5-8). Время ультразвуковой обработки суспензии 2 (1, 5) 5 (2, 6), 10 (3, 7) и 20 (4, 8) минут. Реальный размер частиц может не согласовываться с размерами ОКР, особенно при образовании плотных агломератов [10, 11]. В связи с этим, для оценки размера частиц целесообразно было использовать метод лазерной дифракции (рис. 2), На рисунке представлены распределения частиц оксида алюми-ния, полученных методом распылительной сушки (рис. 2а) и химическим осаждением (рис. 2б) по размеру. Видно, что в процессе ультразвуковой обработки, на кривых распределения для порошка, полученного распылительной сушкой уменьшается сигнал для частиц с разме- ром около 30 мкм и появляется второй максимум, соответствующий образованию частиц меньшего размера (10 мкм). В результате, для данного образца наблюдается явное бимодально распределение. Для оксида, полученного методом химического осаждения, наблюдается значительно более широкое распределения, хотя после ультразвуковой обработки оно сужается и также наблюдается появление второго максимума.  Полная исследовательская публикация  __________ Лямина   Г.В., Илела   Алфа Эдисон, Качаев   А.А., Амантай Далбанбай,   Колосов   П.В. и Чепрасова   М.Ю. 122  _____________ http://butlerov.com/ _____________ ©    Butlerov Communications.   2013 . Vol.33. No.2. P.119-124. Рис. 3.  РЭМ порошков Al 2 O 3  ( а, б, д, е ) и ZrO 2  ( в, г, ж, з ), полученных химическим осаждением ( а-г ) распылительной сушкой ( д-з ) из водных растворов Тем не менее, во-первых, размер частиц значительно больше (50 мкм), во-вторых, коли-чество частиц с размером около 10 мкм значительно меньше, чем для образца, полученного с помощью распылительной сушки. Очевидно, что первый максимум на кривых соответствует  размеру агломератов, образованных частицами в растворителе, а второй размеру агрегатов. При этом следует учитывать, что размер определенных агрегатов может отличаться от реаль-   ПОЛУЧЕНИЕ НАНОПОРОШКОВ ОКСИДА АЛЮМИНИЯ И ЦИРКОНИЯ ИЗ РАСТВОРОВ… ________ 119-124 ©    Бутлеровские сообщения.   2013 . Т.33. №2. _______________  E-mail:  journal.bc@gmail.com _____________ 123 ного, так как продукт может агломерироваться при попадании в растворитель (изопропило-вый спирт). Для подтверждения данных по размерам полученных частиц и изучения морфологии продукта были получены изображения порошков с помощью растрового электронного микроскопа (рис. 3). Видно, что морфология оксидов, полученных химическим осаждением, значительно отличается от таковой для образцов, полученных методом распылительной сушки. В последнем случае продукт полностью гранулирован. Гранулы оксида циркония плотные и полые, размер гранул от 1 до 10 мкм, при этом можно наблюдать наличие «гранулы в грануле» (рис. 3  з ). Гранулы оксида алюминия имеют более рыхлую структуру. На рис. 3 д хорошо видно, что они состоят из отдельных частиц, размер которых не превышает 100 нм. «Слипание» частиц для оксида циркония более характерно, что хорошо видно как для продукта, полученного химическим осаждением (рис. 3 в,г ), так и с помощью  распылительной сушки. Таким образом, согласно результатам, полученным с помощью РЭМ,  размер частиц, определенный с помощью метода лазерной дифракции согласуется с размером агрегатов, а величины ОКР (с традиционной погрешностью около 10-15%) – с размером частиц, образующих эти гранулы. Метод распылительной сушки имеет еще одно существенное преимущество по сравнению с обычным химическим осаждением: он позволяет получить более чистый продукт (табл. 2). Табл. 2.  Результаты элементного анализа порошков оксида алюминия и циркония (энергодисперсионный анализ) Тип порошка Метод выделения нанопорошка Химический состав, мол, % Распылительная сушка (O) 51.25 (Al) 48.75 Al 2 O 3  Химическое осаждение (O) 57.45 (Na) 0.31 (Al) 33.92 (S) 8.31 Распылительная сушка (O) 57.64 (Y) 3.46 (Zr) 39.01 ZrO 2  Химическое осаждение (O) 63.61 (Cl) 0.05 (Y) 1.74 (Zr) 34.6 В составе порошков оксида алюминия, полученного с помощью химического осажде-ния, присутствует натрий, который попадает туда из раствора гидроксида, использующегося для осаждения и сера. В составе порошка, полученного с помощью распылительной сушки, эти макропримеси отсутствуют. Для оксида циркония в порошке, полученного с помощью распылительной сушки, помимо отсутствия хлора, наблюдается содержание большего количества иттрия, который стабилизирует тетрагональную фазу. Очевидно, что аппарат распылительной сушки обеспечивает одновременное выделение соединений циркония и иттрия из раствора, в отличие от химического осаждения, в процессе которого наблюдаются потери. В результате проделанной работы была разработана методика синтеза наноразмерных порошков оксидов алюминия и циркония методом распылительной сушки. Таким образом, установка нанораспылительной сушки имеет значительные перспективы для разработки и применения. На основании полученных экспериментальных данных можно разрабатывать методики синтеза наноразмерных оксидов алюминия и циркония из растворов более сложного состава. Выводы 1.   Применение распылительной сушки обеспечивает гранулирование нанопорошков Al 2 O 3  и ZrO 2 , средний размер гранул составляет 5 мкм. Средний размер частиц, составляющих гранулы, около 100 нм для оксида алюминия, согласно данным ОКР и РЭМ; и предполо-жительно около 20 нм для оксида циркония согласно данным ОКР. 2.   Нанопорошки Al 2 O 3  и ZrO 2 , полученные методом распылительной сушки, содержат мень-ше примесей по сравнению с частицами, получаемыми химическим осаждением.
We Need Your Support
Thank you for visiting our website and your interest in our free products and services. We are nonprofit website to share and download documents. To the running of this website, we need your help to support us.

Thanks to everyone for your continued support.

No, Thanks
SAVE OUR EARTH

We need your sign to support Project to invent "SMART AND CONTROLLABLE REFLECTIVE BALLOONS" to cover the Sun and Save Our Earth.

More details...

Sign Now!

We are very appreciated for your Prompt Action!

x